光纤通信技术课件

光纤通信技术主要参考书目及网址《光通信原理与应用》朱宗玖等编著清华大学出版社《光纤通信技术》孙学康等著人民邮电出版社多年里得到了极大的发展，目前它和移动通信、卫星通信已经成为电信领域发展的基石。掌握一些光纤通信技术有助于学习现代通信技术和拓宽知识面,为以后的学习深造和工作做好知识储备。从事管理、销售工作；从事技术开发、设备制造、科研、网络运营及维护、工程施工及安装等工作或考研。先修课程《通信系统原理》《模拟电路》《电磁场与微波技术》目录第一章通信基础知识1第二章光纤2第三章光缆3第四章光器件4第五章光纤传输系统5第六章光网络6第一章通信基础知识学习目标1.了解通信技术发展简史。2.掌握通信基本概念3.掌握业务传输技术特点。4.理解通信系统组成、分类和系统性能。5.掌握光纤通信系统及其组成的光网络演进1.1通信技术简史1.1.1科学技术发展科学技术是利用“有关研究客观事物存在及其相关规律的学说”能为自己所用，为大家所用的知识。人类的科学技术发展史经历了古代、近代和现代三个阶段。古代科学技术的代表是材料科学技术它的本质是利用物质资源制造质料工具，如锄头、镰刀、弓箭、棍棒等，扩展人类的体质能力。近代科学技术的代表是能量（源）科学技术它的本质是使用能源或者动力为资源创造动力工具，如机车、汽车、轮船、飞机等，扩展人类的体力能力。现代科学技术是建立在材料科学技术和能源科学技术基础上的信息科学技术它的本质是利用信息资源创造智能工具，如人工智能专家系统、智能机器人等，拓展人类的智能能力。表1-1给出了人类科学技术发展历程和本质使命的简要总结。1.1.2通信技术简史按时代划分，通信技术经历了三大飞跃光纤通信电通信光通信光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。传输距离短光通信的缺点传递信息量少为了使光通信延长传输距离和增加传递信息内容，1792年，法国工程师ClaudeChappe（却柏）发明了采用机械臂编码来传输信息的光电报，利用中间接续站（现在通信术语称为中继站）可以实现超过100km的通信。1794年，世界上第一个光电报在法国的两个城市巴黎和里尔投入商用，从而实现了相距200km的通信。图1-1给出了ClaudeChappe及其发明的光电报的示意图。从中可以看到这个光电报通过转动机械臂角度发出了一条由CH、A、P、P、E5个字母组成的消息。这个非常有趣的消息恰好就是光电报发明人的名字—Chappe。自1794年到1830年为止，法国光电报系统从巴黎延伸到意大利、德国、比利时的边界。光电报系统是一种视距通信，其系统十分简单、传输距离和传递信息量少，而且保密性差。1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”,通话距离达到213米。光电话原理图光源透镜送话器反射镜震动片光敏电池贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制）。在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调）。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。接收镜贝尔光电话是现代光通信的雏型1、为什么光通信传输的距离非常有限，这主要是因为，这种传输方式里面的传输介质是“大气”，损耗大，如果碰上雨、雪甚至雾霾天气，信号甚至可能会中断。更深层次的原因，我们现代人都已经知道了，是因为光是一种“波”，且波长很短（0.4—0.7μm），它很容易被大气中的“尘埃粒子”所阻挡。2、另外，Bell的光电话是利用自然光（光源）作为载波，这种光的频率和相位杂乱无章，不能用于大容量的通信。3、能否建立“光通道”如“波导管”式的东西以减少损失（损耗）呢？是否可以找到新型的光源呢？研究人员曾经将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验，但由于造价太高而出现了夭折，致使光通信发展一度出现长期的低迷状态。受英国物理学家JohnTyndall（约翰）在1870年做的”光可以在水流柱里传输”的影响，在1920-1950期间,人们发现在纤细的、有柔韧性的玻璃中和塑料光纤可以用于导光。终于在1950年，有人采用“玻璃纤维”传输光，但损耗达到了1000dB/Km，即在1Km的长度上传输，损耗达到10100倍，这个数值显然是太大了。真正的奇迹是在1966年才出现。1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)及其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其发表的研究论文中指出，“玻璃纤维”的严重损耗是由其里面所含杂质（如铜、铁、铬等金属离子）太多及石英玻璃拉制工艺的不均匀性产生的。论文《介质纤维表面光频波导》明确提出：1、如果能将光纤中过渡金属离子减少到最低限度，并改进制造工艺，有可能使光纤损耗降到最低（预见可减小到20dB/km以下）；2、光纤可以实现高速通信；3、给出了光纤原始结构。高锟(C.K.Kao)博士上述发现的重要意义在于：指出了光纤高损耗的真正来源以及研制通信光纤的正确方向。这一发现直接导致了在其后数年内通信光纤制造领域所发生的质的飞跃，以及光纤通信产业的迅速兴起。光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章；并于2009年，获得诺贝尔物理学奖。1970年，光纤研制取得了重大突破美国康宁玻璃公司1970年首先研制出衰耗20dB/km的光纤。光纤通信正式开始！据说康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本电报电话（NTT）公司将光纤损耗降低到0.47dB/Km（波长1.2μm）。在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。1970年开始，光纤研制取得了重大突破1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。1965年，第一台可产生大功率激光的器件--二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入到了一个崭新的阶段。在光纤突飞猛进的同时，光源的研究工作也有了起色1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长0.850μm)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3μm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时（实用中10年左右）的半导体激光器。1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55μm的连续振荡半导体激光器。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展实用光纤通信系统的前期发展1976年，美国在亚特兰大（Atlanta）进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验（GaALAsLD、多模光纤、10Km、44.7Mbps）。1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mbps的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mbps的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。因此，全球通信界业一直公认，1976年是光纤通信的元年。1978年，模拟蜂窝移动通信系统投入使用（未商用）。1980年，有线电视和综合业务数字业务。1988年，宽带综合业务数字网。1991年，全球移动通信系统进入商用。1995年，美籍华裔科学家历鼎毅倡导利用波分复用技术，即利用简单的光器件就可以在单根光纤中实现了大容量的传输，进而大大地降低了传输系统的成本。1998年，美国开通了数字电视业务，进一步提高电视业务清晰度和服务质量。1999年，具有宽带综合业务能力的第三代移动通信系统投入应用。2010年1月13日，在国务院常务会议上提出了电信网、电视网和因特网三网融合。统一通信概念：使任何人在任何时间、任何地点都可以通过任何设备、任何网络，与任何人进行语音、数据和图像的自由通信。个人化数字化综合化移动化宽带化统一通信未来通信发展趋势1.2通信基本概念1.2.1通信什么是“通信”?“通”就是传输和交换；“信”就是信息（话音、图像、数据）通信就是信息的传输和交换，通过电信号或者光信号形式将信息由一方传输到另一方。图1-2给出了一个最简单的通信系统的模型。在这个过程中，通话的内容是由图中的“处理层”完成的。信息的传输是由图中的“物理层”完成的。在现代通信中，通信一般包括：信号的产生、传输和接收三个过程。什么是“电信”？电信是利用有线、无线、光或者其它电磁系统传输、发送或者接收代表符号、书写、影像和声音或者其他任何性质情报的信号。通信和电信的区别：通信是按照约定传递信息；电信是利用电磁系统（广义泛指）传递代表媒体的信号，电磁系统完成信号传递功能。通信是一个广义的概念，而电信则是一个狭义的概念。图1-3揭示了通信涵盖了电信之间的关系。1.2.2信号1.信号及其分类信号是消息的物理载体。消息则是信息的物理表现形式，如语音、文字、符号、数据和图像等。信息、消息和信号三者存在着十分紧密的关系。信息是通过消息来表达，消息通过信号来传输。在科学研究中，通常是将“信号”做为研究对象。信号具有强度、频率、相位、能量等基本特征，信号可以表示为时间的函数。按照信号在时间坐标呈现连续变化或者阶跃变化，信号可以分为模拟信号和数字信号。模拟信号是幅度连续时变的信号。模拟信号又称为连续信号，如图1-4（a）所示连续信号的取值可用连续的时间函数表示。数字信号是幅度阶跃时变信号。数字信号又称为离散信号，如图1-4（b）所示离散信号可用取值有限个离散值连续的时间函数表示。需要强调的是，判断信号是模拟信号还是数字信号的准则为，看信号取值是连续的还是离散的，而不是看时间是连续的还是离散的。2.模/数变换将模拟信号调制变换为数字信号，叫“模/数”变换。它包括三个基本步骤：抽样、量化和编码。抽样定理：只要抽样频率fs满足奈奎特判据fs≥2Δf（模拟信号的带宽），就可以用抽样值来表示一个带宽有限的模拟信号，而抽样值不会引起任何信息损失。量化：是利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程。量化过程是对信号幅度进行离散处理。编码：是将量化后的信号电平数值变换成二进制码组的过程。编码的逆过程称为解码或译码。编码的目的是提高信号的传输可靠性。在光纤通信中，最常用的编/解码是模/数变换方法脉冲编码调制（PulseCodeModulation，PCM）方法。PCM以二进制编码为基础，将模拟信号的量